光纤气体传感器_精品文档.ppt

1、光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光纤气体传感器光纤气体传感器 光谱吸收式光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤甲烷检测系统 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统近年全国重大矿难事故一览时间 地点地点 遇遇难人数人数 事故原因事故原因 2010.3.22010.3.28 8山西王家岭煤山西王家岭煤矿3737人人遇遇难，一一人人下下落不明落不明透水事故透水事故2010.03.2010.03.01 01 内蒙古内蒙古乌海海 3131名名被被困困者者无无生生还可能可能 在在建建的的神神华集集团骆驼山山煤煤矿发生透水事故生透水事故 2010.01.2010.01.05 05 湖南立湖南立胜 3434人死亡人死亡 湖

2、湖南南立立胜煤煤矿发生生重重大大火火灾灾事故事故 2009.11.2009.11.21 21 黑黑龙江江鹤岗 共造成共造成108108人遇人遇难 新新兴煤煤矿发生瓦斯爆炸生瓦斯爆炸 2009.09.2009.09.08 08 河南省平河南省平顶山山 5454人死亡人死亡 违法法违规组织生生产导致致的的特特大大瓦斯爆炸瓦斯爆炸事故事故 2009.05.2009.05.30 30 重重庆市綦江市綦江县 3030人人死死亡亡、7777人人受受伤 违规违章章行行为引引发的的特特别重重大安全生大安全生产事故。事故。2009.02.2009.02.22 22 山西屯山西屯兰 7878人死亡人死亡 瓦斯瓦斯

3、浓度度过高，煤高，煤矿爆炸。爆炸。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统瓦斯爆炸是影响煤矿安全重大威胁之一。据统计，瓦斯爆炸是影响煤矿安全重大威胁之一。据统计，我国煤矿爆炸事故近我国煤矿爆炸事故近80%是由瓦斯气体爆炸引起是由瓦斯气体爆炸引起的。的。瓦斯的主要成分是甲烷瓦斯的主要成分是甲烷，约占瓦斯气体的，约占瓦斯气体的83%89%。当空气中的甲烷浓度约为当空气中的甲烷浓度约为5.3%到到15%时，遇火源时，遇火源就会爆炸；在无火源情况下，当空气中的甲烷浓就会爆炸；在无火源情况下，当空气中的甲烷浓度达到度达到50%，能使人因缺氧而窒息死亡。，能使人因缺氧而窒息死亡。为了预防与控制事故的发生，最大限度

4、地减少人为了预防与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡，研究能在线实时快速检测甲烷气体浓度员伤亡，研究能在线实时快速检测甲烷气体浓度的仪器是十分必要的。的仪器是十分必要的。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统甲烷也被认为是温室效应最主要的气体之一，甲烷也被认为是温室效应最主要的气体之一，甲烷吸收红外线能力是二氧化碳的甲烷吸收红外线能力是二氧化碳的15-30倍，倍，占据整个温室气体贡献量的占据整个温室气体贡献量的15%，温室气，温室气体引起的全球气候变暖直接关系到人类健体引起的全球气候变暖直接关系到人类健康生活，更是被民众所关心。康生活，更是被民众所关心。甲烷还与燃烧和推进联系非常紧密，它的浓甲烷

5、还与燃烧和推进联系非常紧密，它的浓度测量直接与对燃烧效率以及推进过程的度测量直接与对燃烧效率以及推进过程的分析有关。分析有关。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统马赫一泽德尔干涉仪马赫一泽德尔干涉仪 声波激励源是机械斩波声波激励源是机械斩波的的ArAr离子激光器离子激光器光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统各种光纤气体传感器及其性能比较 传感器感器类型型优点点缺点缺点干涉型干涉型灵敏度高灵敏度高稳定性差，定性差，难以以实现遥遥测反射型反射型灵敏度灵敏度较高高线性范性范围窄，窄，长期期稳定性差，需加定性差，需加工工光光纤渐逝逝场气体气体传感器感器灵敏度高，能灵敏度高，能实

6、现分分布式布式传感及交叉分辨感及交叉分辨表面表面污染染问题严重，其中多聚物包重，其中多聚物包层光光纤对相相对温度、湿度、温度、湿度、渐逝逝场的的强强度依度依赖性大；需加工性大；需加工近近红外外吸吸收收差分吸收差分吸收检测灵敏度高灵敏度高 斩波器的使用使得波器的使用使得稳定性不高，定性不高，滤波片的使用使得有用光功率不足波片的使用使得有用光功率不足谐波波检测灵敏度高，灵敏度高，稳定性定性较好好需求光源可需求光源可调谐范范围较宽，频率率稳定度高，光源定度高，光源驱动较复复杂光吸收光吸收热效效应灵敏度灵敏度较高高传感探感探头带电，难以以实现遥遥测，且，且需要大功率需要大功率输出光源出光源光纤甲烷检测

7、系统光纤甲烷检测系统p光谱吸收型光纤传感器光谱吸收型光纤传感器光谱吸收法是光谱吸收法是通过检测气体透射光强或反射通过检测气体透射光强或反射光强的变化光强的变化来检测气体浓度的方法。每种来检测气体浓度的方法。每种气体分子都有自己的吸收气体分子都有自己的吸收(或辐射或辐射)谱特征，谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变部分才产生吸收，吸收后的光强将发生变化。化。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统p光谱吸收型光纤传感器光谱吸收型光纤传感器光谱吸收型光纤传感器是光谱吸收型光纤传感器是基于激光光谱分析基于激光光谱分析技术技术设计

8、的，结合现代光纤通信技术，将设计的，结合现代光纤通信技术，将以前主要用于实验室气体分析的激光光谱以前主要用于实验室气体分析的激光光谱分析技术应用在工业现场。同时分析技术应用在工业现场。同时利用光纤利用光纤技术技术的特点，使光谱吸收型光纤传感器的特点，使光谱吸收型光纤传感器在在探测灵敏度、远程遥测、多点测量方面发探测灵敏度、远程遥测、多点测量方面发挥更大的优势挥更大的优势 光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统p近红外光谱吸收型光纤传感器近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光是指波长在近红外光是指波长在7802526nm范围内的范围内的电磁波，甲烷气体分子的泛频和组合频吸电磁波，甲烷气体分子的泛频和组合

9、频吸收峰正好落在光纤收峰正好落在光纤0.8-1.7m的近红外区域的近红外区域低损耗传输窗口范围内，且在这一波段的低损耗传输窗口范围内，且在这一波段的光学器件比较成熟，使得近红外光谱在在光学器件比较成熟，使得近红外光谱在在线分析领域得到了广泛的应用。线分析领域得到了广泛的应用。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统p近红外光谱吸收型光纤传感器近红外光谱吸收型光纤传感器 近红外光谱吸收型光纤气体传感器与其他近红外光谱吸收型光纤气体传感器与其他光纤气体传感器相比具有极高的测量灵敏光纤气体传感器相比具有极高的测量灵敏度，极高的气体鉴别能力，快速的响应能度，极高的气体鉴别能力，快速的响应能力，简单可靠的气体传

10、感探头、气室以及力，简单可靠的气体传感探头、气室以及易于形成网络等优点，是目前研究最广泛，易于形成网络等优点，是目前研究最广泛，最有前途的一种光纤气体传感技术。最有前途的一种光纤气体传感技术。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 最早应用光谱吸收式光纤传感技术进行气体浓度测试研究最早应用光谱吸收式光纤传感技术进行气体浓度测试研究的是的是日本日本Tohoku大学的大学的H.Inaba和和K.Chan等，他们在光等，他们在光纤透射窗口波段范围内，做了一些气体传感的基本研究。纤透射窗口波段范围内，做了一些气体传感的基本研究。1979

11、年，他们提出利用长距离光纤进行大气污染检测。年，他们提出利用长距离光纤进行大气污染检测。1981年，他们又报道了光纤二氧化氮气体浓度的检测实验。年，他们又报道了光纤二氧化氮气体浓度的检测实验。利用二氧化氮在利用二氧化氮在400nm处和处和800nm处的较宽吸收峰，用处的较宽吸收峰，用LED作光源进行二氧化氮的直接吸收测量，与此同时，还作光源进行二氧化氮的直接吸收测量，与此同时，还进行了光纤化的甲烷气体浓度测量实验研究，并于进行了光纤化的甲烷气体浓度测量实验研究，并于1983年年用用LED作为宽带光源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷在作为宽带光源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷在1331.2nm附近的附

12、近的Q线进行检测，系统最小可探测灵敏度为线进行检测，系统最小可探测灵敏度为25%LEL(气体爆炸下限气体爆炸下限)光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 1987年年J.P.Dakin和和C.A.wade等人报道了一种利等人报道了一种利用梳状滤波器和宽带光源用梳状滤波器和宽带光源(LED)测量甲烷气体浓测量甲烷气体浓度的方法。入射光可覆盖一簇气体吸收峰，通过度的方法。入射光可覆盖一簇气体吸收峰，通过气体吸收后，光谱被调制为梳状。这种方法适合气体吸收后，光谱被调制为梳状。这种方法适合于甲烷和乙炔等具有梳状吸收峰的气体。于甲烷和乙炔

13、等具有梳状吸收峰的气体。1988年，年，A.Mohebati和和T.A.King用用1.33m的的InGaAsP多模激光器测量了甲烷气体的浓度，采多模激光器测量了甲烷气体的浓度，采用波长差分吸收法，室温下可以测量最小灵敏度用波长差分吸收法，室温下可以测量最小灵敏度可达可达1000 ppm。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 1990年，年，H.Tai和和K.Yamamoto等利用等利用1.66m单模单模分布反馈式分布反馈式(DFB LD)半导体激光器，采用了波长半导体激光器，采用了波长(频率频率)调制的谐波检测方法，室温下检

14、测甲烷气体调制的谐波检测方法，室温下检测甲烷气体浓度，最小可探测灵敏度可达浓度，最小可探测灵敏度可达20 ppm。这一系统。这一系统将可调谐半导体激光光源将可调谐半导体激光光源(DFB LD)，波长调制谐，波长调制谐波检测和光纤技术结合起来，获得了很高的探测波检测和光纤技术结合起来，获得了很高的探测灵敏度。在以后的很长一段时间内，沿着这种技灵敏度。在以后的很长一段时间内，沿着这种技术方向，又有一些光纤气体探测系统被报道出来。术方向，又有一些光纤气体探测系统被报道出来。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 1992年，年，H.T

15、ai给出了采用两个给出了采用两个DFB LD光源组成一个复合光源组成一个复合光源，在同一个光纤传感系统中同时测量甲烷和乙炔的实光源，在同一个光纤传感系统中同时测量甲烷和乙炔的实验系统。这个系统中的传输光纤长验系统。这个系统中的传输光纤长4km，气室长，气室长10cm，检，检测系统采用波长调制的谐波检测技术，甲烷的最小可探测测系统采用波长调制的谐波检测技术，甲烷的最小可探测灵敏度为灵敏度为5ppm，乙炔的最小可探测灵敏度为，乙炔的最小可探测灵敏度为3ppm，气体，气体间的串扰很小，可以忽略，是一种传感器的复用方法。间的串扰很小，可以忽略，是一种传感器的复用方法。V.Weldon在在1993年和年

16、和1994年分别报道了采用一个年分别报道了采用一个1.64m可调谐可调谐DFB激光器同时测量甲烷和二氧化碳及一个激光器同时测量甲烷和二氧化碳及一个1.57m可调谐可调谐DFB激光器同时测量硫化氢和二氧化碳气体的实验激光器同时测量硫化氢和二氧化碳气体的实验研究，其最小探测灵敏度都优于研究，其最小探测灵敏度都优于10ppm。光纤甲烷检测系统光纤甲烷检测系统光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状光谱吸收式光纤气体传感器国外研究现状 为了光纤气体传感技术的工程应用，人们更加关为了光纤气体传感技术的工程应用，人们更加关注气体传感的噪声分析。通过对谐波检测技术的注气体传感的噪声分析。通过对谐波检测技术的分析，有人提出了优化谐波检测技术参数的方法。分析，有人提出了优化谐波检测技术参数的方法。靳伟博士和靳伟博士和G.Stewart对气体传感中相干噪声的来对气体传感中相干噪声的来源及消除方法进行了深入的研究。其中源及消除方法进行了深入的研究。其中G.Stewart建立了光纤气体传感头端反射噪声的模型，而靳建立了光纤气体传感头端反射噪声的模型，而靳伟博士则提出了光纤气体传感系统中反射相干信伟博士则提出了光纤